CN112271791A - 一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路及方法，属于电池均衡技术领域，目的在于解决电池组内单体电池之间存在不均衡性，导致电池过早退化、利用率低的问题。其包括由N个单体电池串联组成的电池组和电压均衡模块，所述电压均衡模块由多绕组变压器和二极管组成，其包括Buck充电均衡阶段工作状态和变压器磁通复位阶段工作状态。本发明适用于基于Buck变换器的电池组均衡控制电路及方法。

Description

一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路及方法

技术领域

本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路及方法。

背景技术

近年来，由于环保意识增强、自然资源逐渐枯竭和中东地区的不稳定等因素，油价持续上涨，电池储能成为了研究的热点之一。电池在大多数应用中需要串联使用以满足电动汽车中的电压要求，达到足够的输出电压和输出功率。由于电池组中各个单体电池之间存在不一致，但电池串联形成的电池组经过连续的充放电循环后，各个单体电池的荷电状态会出现严重的不平衡，表现为单体电池之间的电压发散越来越大，这将会对电池造成永久性的损坏。

单体电池的荷电状态不平衡危害：1.过电压导致电池过早退化。一旦电池具有较低的容量，当充电期间它接于越来越高的电压下时，电池容量将降低得更快，因此其容量变得更小。一旦电池容量降低，由不平衡引起的电池退化的影响会自动加速。2.是过充电电池引起的安全隐患。电池的过度充电和过热导致活性组分与电解质的反应，并最终导致彼此反应，引发爆炸和火灾。3.提前放电终止导致电池能量利用率低。为了防止电池的过放电和造成的损坏，如果任何电池单元达到低电压阈值，则放电过程结束。

由于存在上述所提到的问题，串联电池组的均衡化是必要的，以便主要保持电池的能量平衡并延长其寿命。

发明内容

本发明的目的在于：为解决电池组内单体电池之间存在不均衡性，导致电池过早退化、利用率低的问题，提供了一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B₁，B₂，…，B_n)，还包括：

Buck充电器模块，由电源V_in、开关S、二极管D₀、电容C和电感L_m组成，用于为电压均衡模块提供能量；

电压均衡模块，由多绕组变压器{原边绕组L_m，副边绕组[L₁，L₂，...，L_n]}和二极管D(D₁，D₂，...，D_n)组成，其中：

多绕组变压器，用于将Buck充电器提供的能量传输到各个副边绕组中，以实现其电压均衡；

二极管D(D₁，D₂，...，D_n)，用于避免电池能量回流到多绕组变压器中。

进一步地，所述基于Buck变换器的电池组均衡控制电路包括Buck充电均衡阶段工作状态和变压器磁通复位阶段工作状态，在Buck充电均衡阶段工作状态，开关S呈导通状态，二极管D₀截止，电感L_m通过S与电源V₀串联，构成Buck充电回路；同时二极管D(D₁，D₂，...，D_n)导通，副边绕组采用二极管与电池组构成串联放电回路，在变压器磁通复位阶段工作状态，开关S呈断开状态，二极管D₀导通，电感L_m与电池组构成串联放电消磁回路

一种基于开关电容的电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1.开关S闭合，Buck充电器传递能量给电感L_m，而电感L_m同时作为多绕组变压器的原边绕组，将能量分别释放至副边绕组(L₁，L₂，...，L_n)所串联的单体电池B(B₁，B₂，...，B_n)中并使其获得一致的电压，实现电池组内单体电池均衡；

步骤2.开关S断开，则L_m通过二极管D₀的续流作用自动进行消磁，实现变压器磁通复位，并且将L_m中储存的能量释放到电池组B(B₁，B₂，...，B_n)中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，除了Buck充电器外，整个电路没有额外的开关，因此不需要额外的控制逻辑，使整个系统运行更为简单，并且减少了系统体积和降低了系统成本。

2、本发明中，Buck充电器的电感与多绕组变压器共享，并且无需额外的消磁电路，减少了系统体积。同时均衡器可以共享Buck电路上的开关，无需额外的控制信号，进一步减少了系统体积和降低了系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1为本发明的电池均衡控制电路的拓扑结构图；

图2为本发明的电池均衡控制电路Buck充电均衡阶段的结构示意图；

图3为本发明的电池均衡控制电路变压器磁通复位阶段的结构示意图；

图4为本发明的实施例1中的电池均衡控制电路的拓扑结构图；

图5为本发明的实施例1中的电池均衡控制电路Buck充电均衡阶段工作状态的结构示意图；

图6为本发明的实施例1中的电池均衡控制电路变压器磁通复位阶段的结构示意图；

图7为现有技术电池均衡控制电路的数据仿真图；

图8为本发明的电池均衡控制电路的数据实验图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明较佳实施例提供的一种基于Buck变化器的电池组均衡控制电路，如图4所示，包括由4个单体电池串联组成的电池组B(B₁，B₂，B₃，B4)，还包括Buck充电器模块、电压均衡模块。

Buck充电器模块，由电源V₀、开关S、二极管D₀、电容C和电感L_m组成，用于为电压均衡模块提供能量。本实施中，电源V₀的取值为25V，开关频率为180KHz。

电压均衡模块，由多绕组变压器{原边绕组L_m，副边绕组[L₁，L₂，L₃，L₄]}和二极管D(D₁，D₂，D₃，D₄)组成，其中：

多绕组变压器，用于将Buck充电器提供的能量传输到各个单体电池中以实现其电压均衡；本实施中，原边绕组L_m的取值为40.34μH，副边绕组(L₁，L₂，L₃，L₄)的取值为13.03μH；

二极管(D₁，D₂，D₃，D₄)，用于避免电池能量回流到多绕组变压器中。本实施中，二极管(包括D0)的电压降的取值为0.22V。

所述电池组均衡控制电路包括Buck充电均衡阶段和变压器磁通复位阶段两种工作状态。在Buck充电均衡阶段，开关S呈导通状态，二极管D₀截止，电感L_m通过S与电源V₀串联，构成Buck充电回路；同时二极管(D₁，D₂，D₃，D₄)导通，副边绕组(L₁，L₂，L₃，L₄)分别通过二极管(D₁，D₂，D₃，D₄)与电池组B(B₁，B₂，B₃，B4)构成串联放电回路；在变压器磁通复位阶段，开关S呈断开状态，二极管D₀导通，电感L_m与电池组B构成串联放电消磁回路。

一种基于Buck变换器的电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1.开关S闭合，Buck充电器传递能量给电感L_m，而电感L_m同时作为多绕组变压器的原边绕组，将能量分别释放至副边绕组(L₁，L₂，L₃，L₄)所串联的单体电池B(B₁，B₂，B₃，B4)中并使其获得一致的电压，实现电池组内单体电池均衡；

如图5所示，闭合开关S，二极管D₀截止，电源V₀通过开关S、电感L_m与B(B₁，B₂，B₃，B4)形成串联回路，电感L_m通过电源V₀吸取能量同时传递到变压器副边绕组；同时L_i通过D_i与B_i形成串联回路，将能量分别释放B_i，使其获得一致的电压，实现电池组内单体电池均衡。其中，1≤i≤4。

步骤2.开关S断开，则L_m通过二极管D₀的续流作用自动进行消磁，实现变压器磁通复位，并且将L_m中储存的能量释放到电池组B(B₁，B₂，B₃，B4)中。

如图6所示，断开开关S，二极管D₀导通，电感L_m通过二极管D₀与电池组B(B₁，B₂，B₃，B4)构成串联回路，自动进行消磁实现变压器磁通复位。

如图7与图8所示，通过仿真模拟与实验验证电池均衡过程。使用不同的初始电池电压[3.8V，3.75V，3.7V，3.65V]，经过3500s均衡后，所有电池实现均衡。通过仿真电路得出本方法可以实现系统均衡。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B₁，B₂，...，B_n)，其特征在于，还包括：

Buck充电器模块，由电源V_in、开关S、二极管D₀、电容C和电感L_m组成，用于为电压均衡模块提供能量；

电压均衡模块，由多绕组变压器{原边绕组L_m，副边绕组[L₁，L₂，...，L_n]}和二极管D(D₁，D₂，...，D_n)组成，其中：

多绕组变压器，用于将Buck充电器提供的能量传输到各个副边绕组中，以实现其电压均衡；

二极管D(D₁，D₂，...，D_n)，用于避免电池能量回流到多绕组变压器中。

2.根据权利要求1所述的一种基于Buck变换器的电池组均衡控制电路，其特征在于，所述基于Buck变换器的电池组均衡控制电路包括Buck充电均衡阶段工作状态和变压器磁通复位阶段工作状态，在Buck充电均衡阶段工作状态，开关S呈导通状态，二极管D₀截止，电感L_m通过S与电源V₀串联，构成Buck充电回路；同时二极管D(D₁，D₂，...，D_n)导通，副边绕组采用二极管与电池组构成串联放电回路，在变压器磁通复位阶段工作状态，开关S呈断开状态，二极管D₀导通，电感L_m与电池组构成串联放电消磁回路。

3.一种基于开关电容的电池组均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.开关S闭合，Buck充电器传递能量给电感L_m，而电感L_m同时作为多绕组变压器的原边绕组，将能量分别释放至副边绕组(L₁，L₂，...，L_n)所串联的单体电池B(B₁，B₂，...，B_n)中并使其获得一致的电压，实现电池组内单体电池均衡；

步骤2.开关S断开，则L_m通过二极管D₀的续流作用自动进行消磁，实现变压器磁通复位，并且将L_m中储存的能量释放到电池组B(B₁，B₂，...，B_n)中。

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